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Gel-based Multimodality (CT/MR) Phantoms for Ion Radiotherapy

Niebuhr, Nina Isabelle

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Abstract

The importance of magnetic resonance imaging (MRI) in radiation therapy (RT) has been increasing over the past years. In ion RT, due to its high accuracy and sensitivity to small uncertainties, the treatment planning process based on computed tomography (CT) is currently extended towards MRI. For exploring the potential of new imaging techniques (such as MRI) multimodality phantoms are mandatory. Hereby, interaction properties with photon and ion radiation have to be adjusted independently from the parameters influencing the MR contrasts. This Bachelor thesis investigates barium sulfate doped agarose gels as multimodality phantoms for application in ion RT. 14 gel-phantoms with different combinations of agarose and barium sulfate concentrations were manufactured. These gels were assessed in dual energy CT (DECT), MRI and carbon ion range measurements. DECT parameters were adjustable with barium sulfate while the effect of agarose was minimal: The effective atomic number (Zeff ) showed values from 7.5 to 10, the electron density (pe-) relative to water could be varied from 1.00 to 1.03. CT-numbers at 80kV allowed variation from 0 to 270HU. Adjustment of absolute relaxation times in MR was possible by varying the agarose concentration. T1 showed a range from 2000 to 2900ms, T2 was adjustable from from 20 to 120ms. The influence of barium sulfate on feasible relaxation times was 17% and 12% respectively. The water equivalent path length of carbon ions could be varied by 3%. Further investigations with alternative solutes are needed to extend the range of relaxation times and electron density for more realistic tissue simulation. Agarose gel-phantoms proved to be stable, easy to handle and allowed independent adjustment of DECT- and MR-parameters. They enable the production of anthropomorphic multimodality phantoms for ion RT applications.

Translation of abstract (German)

In der Strahlentherapie hat die Magnet Resonanz Tomographie (MRT) in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Für die Ionentherapie wird aufgrund ihrer hohen Präzision und Sensitivität gegenüber kleinen Unsicherheiten die derzeit auf Computertomographie (CT) basierende Bestrahlungsplanung vermehrt auf die MRT erweitert. Um das Potential neuer Bildgebungsverfahren (wie MRT) zu untersuchen sind multimodale Phantome unerlässlich. Dazu müssen die Wechselwirkungseigenschaften mit Photonenund Ionenstrahlung unabhängig von den die MR Kontraste beeinflussenden Parametern eingestellt werden. In dieser Bachelorarbeit wurden Agarosegele versetzt mit Bariumsulfat als multimodale Phantome für die Ionentherapie untersucht. Es wurden 14 Gel-Phantome mit unterschiedlich kombinierten Agarose- und Bariumsulfat-Konzentrationen hergestellt. Diese wurden in Zwei-Spektren CT (DECT), MRT und Ionenreichweitenmessungen von Kohlenstoff (12C) untersucht. Die DECT Parameter waren über Bariumsulfat einstellbar, wobei Agarose nur minimalen Einfluss zeigte: Die effektive Ladungszahl (Zeff ) konnte von 7.5 bis 10, die Elektronendichte (pe-) relative zu Wasser von 1.00 bis 1.03 variiert werden. Die CT-Zahlen bei 80kV reichten von 0 bis 270HU. Die MR-Relaxationszeiten konnte mit Variation der Agarosekonzentration erreicht werden: T1 konnte dabei von 2000 bis 2900ms variiert werden, T2 von 20 bis 120ms. Der Einfluss von Bariumsulfat auf die Relaxationszeiten lag bei 17% bzw. 12%. Die wasseräquivalente Pfadlänge von 12C-Ionen konnte um 3% variiert werden. Alternativen für Lösungsstoffe sind nötig, um realistischere Gewebesimulation in Hinblick auf Relaxationszeiten und Elektronendichte zu erreichen. Agarosegel-Phantome zeigten hohe Stabilität, einfache Handhabung und unabhängige Einstellbarkeit der DECT- und MR- Parameter. Sie ermöglichen die Produktion anthropomorpher multimodaler Phantome für den Einsatz in der Ionentherapie.

Item Type: Bachelor thesis
Supervisor: Jäkel, Prof. Dr. Oliver
Date of thesis defense: 14 September 2012
Date Deposited: 16 Sep 2013 07:14
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
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